JP2010192136A - Discharge lamp - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高負荷で高輝度の放電ランプに関し、更に詳しくは、陰極材料に易電子放射性材料としてランタン（Ｌａ）を含む材料を使用したことを特徴とする放電ランプに関する。 The present invention relates to a discharge lamp having a high load and a high brightness, and more particularly to a discharge lamp characterized in that a material containing lanthanum (La) as an electron-emitting material is used as a cathode material.
露光処理に用いられる露光装置用の光源として使用されている放電空間に水銀が封入されている放電ランプや、映写機などにおいて光源として使用されている放電空間にキセノンガスが封入されている放電ランプにおいて、タングステン（Ｗ）を主成分とする陰極に、易電子放射性材料を含有させることによって、良好な電子放射特性を示すことが知られている。易電子放射性材料としてトリウム（Ｔｈ）を用いることが一般的であったが、近年、環境負荷を低減するために、放射性物質であるトリウム（Ｔｈ）に代わってランタン（Ｌａ）が使用されるようになっている。 In a discharge lamp in which mercury is sealed in a discharge space used as a light source for an exposure apparatus used for exposure processing, or in a discharge lamp in which xenon gas is sealed in a discharge space used as a light source in a projector or the like It is known that a cathode mainly composed of tungsten (W) exhibits good electron emission characteristics by containing an electron-emitting material. Although it has been common to use thorium (Th) as an easily electron-emitting material, in recent years, lanthanum (La) has been used instead of thorium (Th), which is a radioactive substance, in order to reduce the environmental burden. It has become.
しかしながら、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を含有させた陰極を有する放電ランプでは、点灯時に陰極にかかる高熱負荷のために、ランタン（Ｌａ）が早期に蒸発して枯渇し、安定した放電を維持することができなくなってしまうことが問題となっている。
そこで、特開２００６−２８６２３６号公報に示す技術には、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などがタングステンよりも酸素と結びつきやすいという特性を利用し、これらの金属から選ばれた少なくとも１種類の金属酸化物を共存させることによって、タングステン酸化物が形成されることを抑制できることが記載されている。融点の低いタングステン酸化物が、陰極の動作温度程度で液相化されることが抑制され、安定した該易電子放射性材料の供給がなされ、安定した放電を長時間維持することができるようになる。
However, in a discharge lamp having a cathode containing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as an electron-emitting material, lanthanum (La) evaporates early and is depleted due to the high heat load applied to the cathode during lighting. The problem is that stable discharge cannot be maintained.
Therefore, in the technique shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-286236, at least one kind selected from these metals is utilized by utilizing the property that zirconium (Zr), hafnium (Hf) and the like are more easily combined with oxygen than tungsten. It is described that the presence of a metal oxide can suppress the formation of tungsten oxide. Tungsten oxide having a low melting point is prevented from becoming a liquid phase at about the operating temperature of the cathode, the stable electron-emitting material is supplied, and stable discharge can be maintained for a long time. .
ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などから選ばれた少なくとも１種類の金属酸化物を共存させることによって、融点の低いタングステン酸化物が形成されることを抑制し、陰極の動作温度程度で液相化されないようにしている。しかし、陰極にかかる電流密度が５０Ａ／ｍｍ２以上となる高負荷で高輝度の放電ランプにおいては、陰極が非常に高温になるため、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を用いると動作温度程度で液相化してしまう問題が発生する。 By coexisting at least one metal oxide selected from zirconium (Zr), hafnium (Hf), etc., the formation of tungsten oxide having a low melting point is suppressed, and the liquid phase is maintained at the operating temperature of the cathode. It is made not to become. However, in a high-load and high-intensity discharge lamp in which the current density applied to the cathode is 50 A / mm 2 or more, the cathode becomes very hot, so lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is used as an electron-emitting material. The problem of becoming a liquid phase occurs at about the operating temperature.
この問題の原因は、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）は、酸化トリウム（ＴｈＯ２）に比べて低い温度で流動性が高くなってしまうことにある。そのため、陰極の温度が非常に高くなる電流密度（ランプ電流を陰極先端から０．５ｍｍの位置の断面積で除した見かけの電流密度）が５０Ａ／ｍｍ２以上となる高負荷で高輝度の放電ランプにおいて、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を用いる場合、避けられない問題となる。 The cause of this problem is that lanthanum oxide (La 2 O 3 ) has high fluidity at a lower temperature than thorium oxide (ThO 2 ). Therefore, the current density at which the temperature of the cathode becomes very high (the apparent current density obtained by dividing the lamp current by the cross-sectional area at a position 0.5 mm from the tip of the cathode) is 50 A / mm 2 or more and a high-intensity discharge with high load. In a lamp, when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is used as an electron-emitting material, this is an unavoidable problem.
液相化した易電子放射性材料は陰極先端に供給されて消耗しやすいため、易電子放射性材料に酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を用いた場合は、酸化トリウム（ＴｈＯ２）を用いたときほど長い時間にわたって易電子放射性材料を供給し続けられず、早期に枯渇してしまう。易電子放射性材料が枯渇すると、陰極の先端部におけるランタン（Ｌａ）原子の被覆率（１原子層で被覆するときを1とするＬａ原子の表面密度）が小さくなり、仕事関数が大きくなって陰極の温度が上がって変形し、チラツキが発生するという問題がある。 Since the liquid phase easy-electron-emitting material is easily supplied and consumed at the cathode tip, when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is used as the easy-electron-emitting material, it is as much as when thorium oxide (ThO 2 ) is used. The easy-electron-emitting material cannot be supplied for a long time, and the material is exhausted early. When the electron-emitting material is depleted, the coverage of lanthanum (La) atoms at the tip of the cathode (the surface density of La atoms with 1 when coated with one atomic layer) decreases, and the work function increases and the cathode increases. There is a problem that the temperature rises and deforms, causing flickering.
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、陰極にかかる電流密度が５０Ａ／ｍｍ２以上となる高負荷で高輝度の放電ランプにおいて、陰極に易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を含有させ、ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を長時間にわたって先端部に供給し、長寿命の放電ランプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in a high-load and high-intensity discharge lamp in which the current density applied to the cathode is 50 A / mm 2 or more, an easily emissive material is applied to the cathode. It is an object to provide a discharge lamp having a long life by containing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as the lanthanum oxide and supplying lanthanum (La 2 O 3 ) to the tip for a long time.
本願第１の発明は、放電ランプにおいて、放電容器の内部に当該放電容器の管軸方向において対向するように配置された陽極と陰極とを有し、前記陰極は、タングステン金属基体中に、ランタンの金属酸化物とジルコニウムの金属酸化物とよりなる易電子放射性材料が含まれた材料により形成され、５０Ａ／ｍｍ２以上の電流密度がかけられる放電ランプにおいて、前記易電子放射性材料の粒子は、タングステン粒子に比べてアスペクト比が小さいことを特徴とする。
本願第２の発明は、陰極の製造方法において、タングステン粉末と酸化ランタン粉末と酸化ジルコニウム粉末とを焼結して、スエージ加工をし、アニール処理をされた易電子放射性材料を介在物として含むタングステン材料のインゴットについて、乾燥水素中に通電して高温に保つ工程を有することを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, in a discharge lamp, the discharge lamp includes an anode and a cathode disposed in the discharge vessel so as to face each other in the tube axis direction of the discharge vessel. In a discharge lamp formed of a material containing an easy electron-emitting material composed of a metal oxide of zirconium and a metal oxide of zirconium and applied with a current density of 50 A / mm 2 or more, the particles of the easy-electron-emitting material are: The aspect ratio is smaller than that of tungsten particles.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cathode, wherein tungsten powder, lanthanum oxide powder, and zirconium oxide powder are sintered, swaged, and annealed to include an electron-emitting material as an inclusion. The material ingot is characterized by having a step of energizing dry hydrogen to keep it at a high temperature.
本願第１の発明に係る放電ランプによれば、電子放射性材料の粒子は、タングステン（Ｗ）粒子に比べてアスペクト比が小さい結晶構造をしているので、易電子放射性材料がゆっくり消耗され、その拡散も軸方向に選択的に生じるようになる。これら２つの効果により、先端部から離れたより広い部位を易電子放射性材料の供給源とすることができるとともに、易電子放射性材料の消耗速度も遅くなるので、易電子放射性材料を長時間にわたって先端部に供給することができる。これより、ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を長時間にわたって先端部に供給し、長寿命の放電ランプを提供することができる。 According to the discharge lamp according to the first invention of this application, since the particles of the electron-emitting material have a crystal structure with a smaller aspect ratio than the tungsten (W) particles, the electron-emitting material is slowly consumed. Diffusion also occurs selectively in the axial direction. Because of these two effects, a wider part away from the tip can be used as a source of the electron-emitting material, and the consumption rate of the electron-emitting material is also slowed. Can be supplied to. Thus, lanthanum (La 2 O 3 ) can be supplied to the tip for a long time, and a long-life discharge lamp can be provided.
本願第２の発明に係る陰極の製造方法によれば、乾燥水素中にインゴットを置き、通電して高温に保つと、易電子放射性材料の結晶の変形を促して、アスペクト比を小さくすることができる。タングステン（Ｗ）中の水素の拡散速度は非常に速いため、乾燥水素中にインゴットを置くだけで、易電子放射性材料まで水素が到達し、球形に近づく方向に変形を促し、アスペクト比を小さくさせることができる。 According to the method for manufacturing a cathode according to the second invention of the present application, when an ingot is placed in dry hydrogen and energized and kept at a high temperature, the deformation of the crystal of the electron-emitting material is promoted to reduce the aspect ratio. it can. Since the diffusion rate of hydrogen in tungsten (W) is very fast, just by placing an ingot in dry hydrogen, hydrogen reaches the electron-emitting material and promotes deformation in a direction approaching a sphere, reducing the aspect ratio. be able to.
図１は、本発明の放電ランプとして、露光装置用の光源として使用される、放電空間に水銀が封入されている放電ランプの構成を示す説明用断面図である。放電容器１の一部である発光管２だけを透過させてその内部の構造を示している。
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing a configuration of a discharge lamp used as a light source for an exposure apparatus, in which mercury is sealed in a discharge space, as a discharge lamp of the present invention. Only the arc tube 2 which is a part of the
放電ランプは、例えば石英ガラスなどの光透過性材料よりなり、概略球状の発光管２とその両端に連続して外方に伸びる封止管３とを有する放電容器１を備え、放電容器１の内部には、各々例えばタングステン（Ｗ）からなる陽極４および陰極５が放電容器１の管軸方向において対向配置されている。陰極５は、陽極４と向かい合うように配置される先端部５１と、先端部５１に向かって縮径するテーパ部５２と、円柱状の胴部５３により構成される。
The discharge lamp is made of a light transmissive material such as quartz glass, for example, and includes a
放電容器１の内部空間には、発光物質または始動補助用のガスとしての水銀およびバッファガスがそれぞれ所定の封入量で封入されている。バッファガスとしては、例えばキセノンガスが封入される。水銀の封入量は、例えば１ｍｇ／ｃｍ３〜７０ｍｇ／ｃｍ３の範囲内、例えば２２ｍｇ／ｃｍ３とされ、キセノンガスの封入量は例えば０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａの範囲内、例えば０．１ＭＰａとされる。
In the internal space of the
このような高負荷で高輝度の放電ランプにおいて、陽極４および陰極５の電極間に、例えば２０ｋＶの高電圧が印加される。陰極５から陽極４に電子が飛んで電極間で絶縁破壊が生じ、それに続いて放電アークが形成され、例えば波長３６５ｎｍのｉ線や波長４３５ｎｍのｇ線を含む光が放射される。このとき、陰極５の先端部５１に流れる単位面積当りの電流量、すなわち電流密度は５０Ａ／ｍｍ２以上となっている。電流密度は、陰極５にかかる負荷を表す数値であり、非常に高い負荷がかかっていることがわかる。また、陰極５の先端部５１は放電のアークがかぶっているので、実際には、先端部５１から０．５ｍｍ内側に入ったところの、軸方向に垂直な陰極５の断面積の大きさを用いて、電流密度が算出される。
In such a high-load and high-intensity discharge lamp, a high voltage of, for example, 20 kV is applied between the anode 4 and the cathode 5. Electrons flow from the cathode 5 to the anode 4 to cause dielectric breakdown between the electrodes, and subsequently, a discharge arc is formed. Light including, for example, an i-line having a wavelength of 365 nm and a g-line having a wavelength of 435 nm is emitted. At this time, the amount of current per unit area flowing through the
陽極４は、例えばタングステン含有率が９９．９９重量％以上である純タングステンを用い、陰極５には、タングステンを主成分とし、タングステン含有率を９８重量％弱としている。この陰極５のタングステン金属基体中に、易電子放射性材料としてランタン（Ｌａ）の金属酸化物と、易電子放射性材料を安定化させる安定化材として、ジルコニウム（Ｚｒ）の金属酸化物とが含まれている。 The anode 4 is made of, for example, pure tungsten having a tungsten content of 99.99% by weight or more, and the cathode 5 is mainly composed of tungsten and has a tungsten content of less than 98% by weight. The tungsten metal substrate of the cathode 5 contains lanthanum (La) metal oxide as an electron-emitting material and zirconium (Zr) metal oxide as a stabilizing material for stabilizing the electron-emitting material. ing.
陰極５に含有される酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）は易電子放射性材料であり、還元されて酸素が離脱し、ランタン原子としてタングステン中を移動して陰極５の先端部５１まで進み、陰極５の先端部５１を被覆して単原子層電子放射陰極が形成される。すなわち、陰極５の先端部５１にランタン（Ｌａ）が１原子層で被覆することによって、陰極５の仕事関数が小さくなり、陰極５の動作温度が下がり、陰極５の寿命を延ばすことができる。
Lanthanum oxide (La 2 O 3 ) contained in the cathode 5 is an easy-electron-emitting material, and is reduced and oxygen is released. The lanthanum oxide moves through the tungsten as lanthanum atoms and proceeds to the
陰極５に含有される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）は易電子放射性材料を安定化させる安定化材であり、タングステン酸化物が形成されて、融点が低下することによる液相化を抑制する作用を有するものである。酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）が還元されることにより発生する酸素（Ｏ２）は、ジルコニウム（Ｚｒ）等がない場合には、タングステン（Ｗ）と結合してタングステン酸化物（ＷＯ３）を生成する。タングステン酸化物（ＷＯ３）は、ランタン酸化物（Ｌａ２Ｏ３）と融点の低い化合物を形成し、液相化することによってエミッターの輸送速度が急速に増加し、消耗してしまうという問題が生じる。 Zirconium oxide (ZrO 2 ) contained in the cathode 5 is a stabilizing material that stabilizes an electron-emitting material, and has a function of suppressing liquid phase formation due to the formation of tungsten oxide and a decrease in melting point. Is. In the absence of zirconium (Zr) or the like, oxygen (O 2 ) generated by reducing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) combines with tungsten (W) to form tungsten oxide (WO 3 ). Generate. Tungsten oxide (WO 3 ) forms a compound having a low melting point with lanthanum oxide (La 2 O 3 ) and becomes a liquid phase, thereby rapidly increasing the transport speed of the emitter and consuming it. Arise.
そのため、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を添加し、タングステン（Ｗ）よりも酸素と結びつきやすいジルコニウム（Ｚｒ）が酸素ゲッタとして機能し、タングステン酸化物（ＷＯ３）が形成されることを抑制している。融点の低い化合物が形成されなくなるので、陰極５の動作温度程度で液相化されることが抑制され、ランタン（Ｌａ）が早期に蒸発してしまうことを防止する効果がある。 Therefore, zirconium oxide (ZrO 2 ) is added to suppress the formation of tungsten oxide (WO 3 ) because zirconium (Zr), which is more easily combined with oxygen than tungsten (W), functions as an oxygen getter. . Since a compound having a low melting point is not formed, the liquid phase is suppressed from being about the operating temperature of the cathode 5, and there is an effect of preventing lanthanum (La) from evaporating early.
図２は、陰極５を軸方向に沿って切断した断面における、テーパ部５２の内部の結晶構造を示す図である。
陰極５の先端部５１は、点灯時の放電アークに近く、非常に高温になるため、その内部のタングステン（Ｗ）の結晶が成長したり、易電子放射性材料が蒸発したりする。先端部５１の内部の結晶構造は、点灯時間によって変わる不安定なものなので、先端部５１より放電アークが離れているテーパ部５２を用いて、陰極５の内部の結晶構造を確認する。具体的には、先端部５１から１ｍｍ内側に入ったところテーパ部５２の軸方向に沿って切断した断面を用いて評価することが好ましい。
なお、胴部５３は、先端部５１から離れすぎていて易電子放射性材料の供給源とならないため、先端部５１に供給される易電子放射性材料の陰極５の内部での結晶構造を確認するには好ましい部位ではない。
FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure inside the tapered portion 52 in a cross section obtained by cutting the cathode 5 along the axial direction.
The
In addition, since the trunk | drum 53 is separated from the front-end | tip
テーパ部の内部の結晶構造は、主成分であるタングステン（Ｗ）の粒子６が密に並んで全体に分布しており、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とよりなる易電子放射性材料の粒子７が略均一に分布するように分散して配置している。結晶の粒子は、タングステン（Ｗ）も易電子放射性材料も電極の軸方向に長い非等方的な形状をしており、タングステン（Ｗ）の粒子６が易電子放射性材料の粒子７より大きくなっている。 The crystal structure inside the taper part is composed of tungsten (W) particles 6 as a main component, which are closely arranged and distributed over the whole, and is composed of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ). The particles 7 of the easily electron emissive material are arranged so as to be distributed substantially uniformly. The crystal particles have an anisotropic shape in which both tungsten (W) and the electron-emitting material are long in the axial direction of the electrode, and the tungsten (W) particles 6 are larger than the particles 7 of the electron-emitting material. ing.
また、軸方向に長い非等方的な形状をしているといっても、易電子放射性材料の粒子７の方が、タングステン（Ｗ）粒子６に比べて球状に近い形をしている。非等方的な形状の粒子の長径と短径との比をアスペクト比という。タングステン（Ｗ）粒子６と易電子放射性材料の粒子７のアスペクト比をそれぞれ計測して、比較した。 In addition, even though the anisotropic shape is long in the axial direction, the particles 7 of the electron-emitting material are more nearly spherical than the tungsten (W) particles 6. The ratio between the major axis and the minor axis of the anisotropically shaped particles is called the aspect ratio. The aspect ratios of the tungsten (W) particles 6 and the particles 7 of the electron-emitting material were measured and compared.
まず、タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比の測定方法を説明する。
タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比は切断法を用いて測定する。陰極を軸方向に切断して断面を研磨し、金属顕微鏡によって２００倍程度に拡大して観察すると、断面で切断された結晶粒の形を見ることができる。ＪＩＳ Ｈ ０５０１に記載の切断法によると、断面の写真に縦と横に直線を引き、各直線によって完全に切り取られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を結晶粒の長さおよび幅とする。
First, a method for measuring the aspect ratio of tungsten (W) particles will be described.
The aspect ratio of tungsten (W) particles is measured using a cutting method. When the cathode is cut in the axial direction, the cross section is polished, and magnified about 200 times with a metal microscope, the shape of the crystal grains cut in the cross section can be seen. According to the cutting method described in JIS H 0501, a straight line is drawn vertically and horizontally on a photograph of the cross section, the number of crystal grains completely cut by each straight line is counted, and the average value of the cut length is calculated as the length of the crystal grains and Width.
図３を用いて具体的に説明する。直線Ａ−Ａ’によって切断される結晶粒は２個で、「平均の結晶粒の長さ」は、（Ａ１−Ａ３の長さ）／２となる。同様に直線Ｂ−Ｂ’を考えると、切断される結晶粒は７個、「平均の結晶粒の幅」は（Ｂ１−Ｂ８の長さ）／７となる。縦と横のそれぞれに等間隔で２０本程度の直線を引き、それぞれについて「平均の結晶粒の長さまたは幅」を求める。縦方向について、２０個程度求められた「平均の結晶粒の長さ」の平均値をこの領域における「結晶粒の長さ」とする。同様に、横方向について、２０個程度求められた「平均の結晶粒の幅の平均値」をこの領域における「結晶粒の幅」とする。この「結晶粒の長さと幅」を用いて、タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比を求める。 This will be specifically described with reference to FIG. The number of crystal grains cut by the straight line A-A 'is two, and the "average crystal grain length" is (A1-A3 length) / 2. Similarly, considering the straight line B-B ', seven crystal grains are cut, and the "average crystal grain width" is (length of B1-B8) / 7. About 20 straight lines are drawn at equal intervals in the vertical and horizontal directions, and the “average crystal grain length or width” is determined for each. The average value of the “average crystal grain length” obtained for about 20 in the vertical direction is defined as the “crystal grain length” in this region. Similarly, about 20 “average value of average crystal grain width” obtained in the horizontal direction is defined as “crystal grain width” in this region. Using this “length and width of crystal grains”, the aspect ratio of tungsten (W) particles is obtained.
次に、易電子放射性材料の粒子のアスペクト比を説明する。
易電子放射性材料の粒子のアスペクト比は画像処理を用いて測定する。陰極５を軸方向に切断して断面を撮影したＳＥＭ画像が用いられる。ＳＥＭ画像では、易電子放射性材料の粒子が黒く映し出されるので、画像解析ソフト、例えばＷｉｎＲｏｏｆを用いて、各易電子放射性材料の長さ、幅およびアスペクト比を求めることができる。なお、易電子放射性材料の粒子の形状にはバラツキがあるので、１００個以上の易電子放射性材料の粒子について得られたアスペクト比の代数平均を、陰極５の内部に含有する易電子放射性材料の粒子のアスペクト比とすることが好ましい。
Next, the aspect ratio of particles of an electron-emitting material will be described.
The aspect ratio of the particles of the electron-emitting material is measured using image processing. An SEM image obtained by cutting the cathode 5 in the axial direction and photographing a cross section is used. In the SEM image, particles of the easily electron emissive material are displayed in black, and therefore the length, width and aspect ratio of each easily emissive material can be obtained using image analysis software such as WinRoof. In addition, since there is variation in the shape of the particles of the electron-emitting material, the algebraic average of the aspect ratios obtained for the particles of 100 or more electron-emitting materials is included in the electron-emitting material contained in the cathode 5. The aspect ratio of the particles is preferable.
計測結果より、タングステン（Ｗ）粒子の結晶粒の長さは２５０μｍ、結晶粒の幅は５０μｍ、アスペクト比は５と得られた。同様に、易電子放射性材料の粒子の長さは８μｍ、粒子の幅は３μｍ、アスペクト比は３と得られた。易電子放射性材料の粒子は、タングステン（Ｗ）粒子に比べて小さく、２０分の１程度しかないことがわかった。また、アスペクト比は、タングステン（Ｗ）粒子の結晶粒方が易電子放射性材料の粒子より大きいことがわかった。なお、アスペクト比は非等方的な形状の粒子の長径と短径との比であり、アスペクト比が小さい易電子放射性材料の粒子の方が球形に近い形状をしていることがいえる。 From the measurement results, the length of the tungsten (W) grains was 250 μm, the width of the grains was 50 μm, and the aspect ratio was 5. Similarly, the particle length of the electron emissive material was 8 μm, the particle width was 3 μm, and the aspect ratio was 3. It was found that the particles of the electron-emitting material are smaller than the tungsten (W) particles and only about 1/20. Further, it was found that the aspect ratio of the tungsten (W) particles was larger than the particles of the electron-emitting material. The aspect ratio is the ratio between the major axis and the minor axis of the anisotropically shaped particles, and it can be said that the particles of the electron-emitting material having a smaller aspect ratio are more nearly spherical.
粒子の形状が球形に近いということは、体積に対する表面積が小さくなり、粒子が外部に接触して反応できる面積が小さくなる。アスペクト比が小さい易電子放射性材料は、ゆっくり消耗するようになる。一方、タングステン（Ｗ）粒子は、アスペクト比が大きいので電極の軸方向に長い非等方的な形状をしており、その粒界も電極の軸方向に長くなっている。酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とよりなる易電子放射性材料の拡散は、タングステン（Ｗ）粒子の粒界に沿って生じるため、軸方向に選択的に生じるようになる。 When the shape of the particles is close to a sphere, the surface area with respect to the volume is reduced, and the area where the particles can react by contacting the outside is reduced. Easy-electron-emitting materials with a small aspect ratio will wear out slowly. On the other hand, since the tungsten (W) particles have a large aspect ratio, they have an anisotropic shape that is long in the axial direction of the electrode, and their grain boundaries are also long in the axial direction of the electrode. Diffusion of the electron-emissive material composed of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) occurs along the grain boundary of the tungsten (W) particles, and thus occurs selectively in the axial direction. .
易電子放射性材料の粒子は、タングステン（Ｗ）粒子に比べてアスペクト比が小さい結晶構造をしているので、易電子放射性材料がゆっくり消耗されるとともに、その拡散も軸方向に選択的に生じるようになる。これら２つの効果により、先端部から離れたより広い部位を易電子放射性材料の供給源とすることができるとともに、易電子放射性材料の消耗速度も遅くなるので、易電子放射性材料を長時間にわたって先端部に供給することができる。これより、ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を長時間にわたって先端部に供給し、長寿命の放電ランプを提供することができる。 Since the particles of the electron-emitting material have a crystal structure with a smaller aspect ratio than the tungsten (W) particles, the electron-emitting material is slowly consumed and the diffusion thereof occurs selectively in the axial direction. become. Because of these two effects, a wider part away from the tip can be used as a source of the electron-emitting material, and the consumption rate of the electron-emitting material is also slowed. Can be supplied to. Thus, lanthanum (La 2 O 3 ) can be supplied to the tip for a long time, and a long-life discharge lamp can be provided.
続いて、易電子放射性材料の粒子がタングステン粒子に比べてアスペクト比が小さい結晶構造をしている陰極５の製造方法について説明する。
陰極材料であるタングステンは、粉末冶金法によって形成される。タングステン（Ｗ）粉末と酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）粉末と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）粉末とを焼結することにより、易電子放射性材料を介在物として含むタングステン材料のインゴットが作られる。この段階ではタングステン結晶も易電子放射性材料の結晶も球形の等方的な形状をしている。
Next, a method for manufacturing the cathode 5 in which the particles of the electron-emitting material have a crystal structure with a smaller aspect ratio than the tungsten particles will be described.
Tungsten as a cathode material is formed by powder metallurgy. By sintering the tungsten (W) powder, the lanthanum oxide (La 2 O 3 ) powder, and the zirconium oxide (ZrO 2 ) powder, an ingot of a tungsten material containing an electron-emitting material as an inclusion is made. At this stage, both the tungsten crystal and the crystal of the electron-emitting material have a spherical isotropic shape.
この棒状のインゴットを加熱して径方向に転打し、直径を小さくする方向に力を加える。このようなスエージ加工を受けるとタングステン結晶も易電子放射性材料の結晶も、インゴットの軸方向に伸びた形になる。加工が進むにつれてインゴットが硬くなるため、スエージ加工が困難になる。このような状態になると、インゴットをさらに高温に加熱してアニール処理をする。アニール処理では、タングステン結晶だけがあらゆる方向に等しい長さ成長するので、軸方向に長いタングステン結晶が径方向に太ってくる。易電子放射性材料の結晶の形状に変化がなく、タングステン結晶だけが径方向に太ってくるため、アスペクト比は、易電子放射性材料の結晶に比べてタングステン結晶の方が小さくなる。 This rod-shaped ingot is heated and rolled in the radial direction, and a force is applied in the direction of reducing the diameter. When such swaging is applied, both the tungsten crystal and the crystal of the electron-emitting material become elongated in the axial direction of the ingot. Swaging is difficult because the ingot becomes harder as processing proceeds. In such a state, the ingot is further heated to a high temperature and annealed. In the annealing treatment, only the tungsten crystal grows in the same length in all directions, so that the tungsten crystal that is long in the axial direction becomes thick in the radial direction. Since the shape of the crystal of the electron-emitting material is not changed and only the tungsten crystal is thickened in the radial direction, the aspect ratio of the tungsten crystal is smaller than that of the crystal of the electron-emitting material.
従来の陰極は上記までの手順で製作されているため、易電子放射性材料の結晶に比べてタングステン結晶のアスペクト比の方が小さくなっていた。しかしながら、本発明の陰極は上記の手順に加えて以下の処理も加えているため、タングステン結晶に比べて易電子放射性材料の結晶のアスペクト比を小さくすることができる。 Since the conventional cathode is manufactured by the procedure described above, the aspect ratio of the tungsten crystal is smaller than that of the crystal of the electron-emitting material. However, since the cathode of the present invention is subjected to the following treatment in addition to the above procedure, the aspect ratio of the crystal of the electron-emitting material can be reduced as compared with the tungsten crystal.
発明者らは鋭意研究の結果、水素が酸化物の結晶の変形速度を速めることを見出した。この原理を利用して、圧力が１気圧、露点が−４０℃の乾燥水素中にアニール処理を終えたインゴットを置き、通電して約２２００℃の高温に約３０分保つと、易電子放射性材料の結晶の変形を促して、アスペクト比を小さくすることができる。タングステン（Ｗ）中の水素の拡散速度は非常に速いため、乾燥水素中にインゴットを置くだけで、易電子放射性材料まで水素が到達し、球形に近づく方向に変形を促し、アスペクト比を小さくすることができる。 As a result of intensive studies, the inventors have found that hydrogen increases the deformation rate of oxide crystals. Using this principle, if an ingot that has been annealed is placed in dry hydrogen having a pressure of 1 atm and a dew point of −40 ° C., and energized and kept at a high temperature of about 2200 ° C. for about 30 minutes, an electron emissive material The crystal can be deformed to reduce the aspect ratio. Since the diffusion rate of hydrogen in tungsten (W) is very fast, just by placing an ingot in dry hydrogen, the hydrogen reaches the electron-emitting material, promotes deformation in the direction approaching a sphere, and reduces the aspect ratio. be able to.
乾燥水素中で高温に保っても、タングステン粒子は成長しないので、従来の陰極に含まれるタングステン粒子と大きさもアスペクト比も略同様となる。したがって、易電子放射性材料の粒子のアスペクト比が、タングステン粒子のアスペクト比に比べて小さくなることは、易電子放射性材料の粒子とタングステン粒子の大きさは従来と略同等で、易電子放射性材料の粒子が球形に近い形状となることを意味する。そのため、易電子放射性材料の粒子の体積当りの表面積が小さくなり、易電子放射性材料の消耗速度が遅くなる。 Even if kept at a high temperature in dry hydrogen, the tungsten particles do not grow, so the size and aspect ratio of the tungsten particles contained in the conventional cathode are substantially the same. Therefore, the aspect ratio of the particles of the electron-emitting material is smaller than the aspect ratio of the tungsten particles. The size of the particles of the electron-emitting material and the tungsten particles is substantially the same as that of the conventional material. It means that the particles have a shape close to a sphere. Therefore, the surface area per volume of the particles of the easy electron emitting material is reduced, and the consumption rate of the easy electron emitting material is reduced.
続いて、本発明の実施例について説明する。
〔実験例〕
タングステン金属基体中に、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ２O3）が２ｗｔ．％と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が０．１ｗｔ．％添加された材料よりなる陰極を用意し、この陰極を用いて定格電力が２ｋＷのキセノンショートアークランプを製作した。ランプへの入力電流が７０Ａで、陰極の先端から０．５ｍｍ内側の軸方向に垂直な断面積が０．７３ｍｍ２なので、陰極にかかる電流密度は９６Ａ／ｍｍ２となる。
Next, examples of the present invention will be described.
[Experimental example]
In the tungsten metal substrate, lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as an electron emissive material is 2 wt. % And zirconium oxide (ZrO 2 ) 0.1 wt. A xenon short arc lamp with a rated power of 2 kW was manufactured using a cathode made of a material with a% added. Since the input current to the lamp is 70 A and the cross-sectional area perpendicular to the axial direction 0.5 mm inside from the tip of the cathode is 0.73 mm 2 , the current density applied to the cathode is 96 A / mm 2 .
本発明に係る陰極として、タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比が５、易電子放射性材料の粒子のアスペクト比が３となる材料を用意した。また、従来技術に係る陰極として、タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比が５、易電子放射性材料の粒子のアスペクト比が１０となる材料を比較例とした。 As the cathode according to the present invention, a material in which the aspect ratio of tungsten (W) particles was 5 and the aspect ratio of particles of an electron-emitting material was 3 was prepared. In addition, as a cathode according to the prior art, a material in which an aspect ratio of tungsten (W) particles is 5 and an aspect ratio of particles of an electron-emitting material is 10 was used as a comparative example.
各陰極を電圧変動率の推移を計測して比較した。点灯後に定常状態になったときを起点とし、起点時（０ｈ）と、起点から計測して連続点灯時間が１００時間（１００ｈ）、２００時間（２００ｈ）、５００時間（５００ｈ）、１０００時間（１０００ｈ）となった時点で電圧変動率を計測した。ここでは、電圧変動率を、１０秒間の電圧波形における最大値と最小値の差を平均値で割った値とした。
実験結果を表１に示す。
Each cathode was compared by measuring the transition of the voltage fluctuation rate. The starting point is the time when a steady state is reached after lighting, the starting time (0h), and the continuous lighting time measured from the starting point is 100 hours (100h), 200 hours (200h), 500 hours (500h), 1000 hours (1000h) ), The voltage fluctuation rate was measured. Here, the voltage fluctuation rate was a value obtained by dividing the difference between the maximum value and the minimum value in the voltage waveform for 10 seconds by the average value.
The experimental results are shown in Table 1.
キセノンランプは映写機などにおいて光源として使用されているが、照度変動が大きくなると映像面でのチラツキとなって現れるため、照度変動を基準としてランプ寿命が設定されている。電圧変動率は照度変動の代用特性として用いることができ、電圧変動率が５％を越えると照度変動が大きくなり、ランプ寿命と判定される。
この基準によると、従来技術に係る陰極を備えるキセノンランプの寿命は５００時間程度であるが、本発明に係る陰極を備えるキセノンランプの寿命は１０００時間以上になり、長寿命の放電ランプを提供できることがわかった。
A xenon lamp is used as a light source in a projector or the like, but when the fluctuation in illuminance increases, it appears as a flicker on the image plane. Therefore, the lamp life is set based on the fluctuation in illuminance. The voltage fluctuation rate can be used as a substitute characteristic of the illuminance fluctuation. When the voltage fluctuation ratio exceeds 5%, the illuminance fluctuation becomes large, and it is determined that the lamp life is reached.
According to this standard, the lifetime of a xenon lamp having a cathode according to the prior art is about 500 hours, but the lifetime of a xenon lamp having a cathode according to the present invention is 1000 hours or more, and a long-life discharge lamp can be provided. I understood.
１ 放電容器
２ 発光管
３ 封止管
４ 陽極
５ 陰極
1 discharge vessel 2 arc tube 3 sealing tube 4 anode 5 cathode
Claims (2)
前記易電子放射性材料の粒子は、タングステン粒子に比べてアスペクト比が小さいことを特徴とする放電ランプ。 An anode and a cathode disposed inside the discharge vessel so as to face each other in the tube axis direction of the discharge vessel. The cathode comprises a metal oxide of lanthanum and a metal oxide of zirconium in a tungsten metal substrate. In a discharge lamp formed of a material containing an easily electron-emitting material and applied with a current density of 50 A / mm 2 or more,
The discharge lamp according to claim 1, wherein the particles of the electron-emitting material have a smaller aspect ratio than tungsten particles.
乾燥水素中に通電して高温に保つ工程を有することを特徴とする陰極の製造方法。 About the ingot of tungsten material that contains tungsten electron, lanthanum oxide powder and zirconium oxide powder sintered, swaged, and annealed easy electron emitting material as inclusions,
A method for producing a cathode, comprising a step of energizing dry hydrogen to keep it at a high temperature.
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